## Simulasi Pencitraan Logam dengan Antena Bowtie Terkopel Bolometer pada Radiasi Gelombang THz

## (Imaging Simulation of Metal with Bowtie Antenna coupled Bolometer for
THz Wave Radiation)
Catur Apriono 1 , Hendry Steven Marbun 2
Abstract— Air  transportation  is  one  of  transportation  modes with a significant increase in the number of passengers. However, air transportation sometimes is threatened by  terrorism  act and sabotages,  mostly  caused  by  negligence  in  detecting  dangerous metal items. THz wave can be used as imaging because it is safe and  has  a  high  spatial  resolution.  However,  THz  waves  are vulnerable  to  diffraction.  In  this  paper,  diffraction  studies  and metal  imaging simulations  of  THz  waves  were  carried  out  using CST  Microwave  Studio  software.  The  simulation  used  a  bowtie antenna-coupled  bolometer  as  a  sensor,  due  to  its  simple  design and  wide  bandwidth.  Simulations  were  carried  out  with  various types of antennas with working frequencies of 1 THz, 3 THz, and 5  THz.  Variations  of  plane  wave  polarization  (Ex  and  Ey polarization)  were  also  performed  for  each  type  of  antennas. Simulations  with  increased  frequency  produce  more  accurate images  because  they  have  smaller  diffraction  effect  and  greater spatial  resolution.  Simulations  with  Ex  polarization  produces  a better image in contrast because it has a parallel movement of the electric field with the sensor.
Intisari—Transportasi  udara  merupakan  salah  satu  moda transportasi  dengan  peningkatan  jumlah  penumpang  yang signifikan. Namun, dalam perkembangannya moda ini rawan aksi terorisme  dan  sabotase,  yang  sebagian  besar  disebabkan  oleh kelalaian dalam mendeteksi barang logam berbahaya. Gelombang  THz  dapat  digunakan  sebagai  pencitraan  karena aman,  memiliki  resolusi  spasial  yang  tinggi,  tetapi  rentan  akan efek  difraksi.  Pada  makalah  ini  dilakukan  studi  difraksi  dan simulasi  pencitraan  logam  gelombang  THz  dengan  perangkat lunak  CST  Microwave  Studio.  Sensor  yang  digunakan  dalam simulasi  adalah  antena  bowtie  terkopel  bolometer  karena desainnya  yang  sederhana  dan  bandwith  yang  lebar.  Simulasi dilakukan  dengan  variasi  jenis  antena  yang  memiliki  frekuensi kerja 1 THz, 3 THz, dan 5 THz. Variasi jenis polarisasi plane wave (polarisasi  Ex  &  Ey)  juga  dilakukan  untuk  masing-masing  jenis antena.  Simulasi  dengan  peningkatan  frekuensi  menghasilkan citra yang lebih akurat karena memiliki efek difraksi yang lebih kecil  dan  resolusi  spasial  yang  lebih  besar.  Simulasi  dengan polarisasi  Ex menghasilkan citra  yang lebih baik dalam kontras karena  memiliki  arah  pergerakan  medan  listrik  yang  sejajar dengan sensor yang digunakan.
Kata  Kunci—Pencitraan,  Terahertz,  Logam,  Difraksi,  Antena, Bowtie, Bolometer.

## I. P ENDAHULUAN
Teknologi Terahertz (THz) merupakan teknologi nirkabel di masa depan karena memiliki bandwidth yang sangat lebar dan spektrum yang masih tidak berlisensi. Gelombang THz sendiri adalah  gelombang  elektromagnetik  yang berada pada  rentang frekuensi  0,1-10  THz  [1].  Di  masa  lalu,  pengembangan teknologi  THz  belum  pesat  karena  keterbatasan  sumber  dan detektor yang bekerja baik secara efektif dan sensitif  [2], [3]. Saat  ini,  penelitian  dan  pengembangan  teknologi  THz menjangkau  berbagai  aplikasi,  seperti  keamanan  [4]-[6], farmasi  [7], Non-Destructive  Testing (NDT)  [8],  [9],  dan industri kesehatan [10].
Keamanan  merupakan  suatu  parameter  yang  perlu dipertimbangkan, terutama di dunia penerbangan [4]. Pada saat ini, masyarakat telah lebih banyak memilih transportasi udara sebagai  sarana  untuk  bepergian,  melakukan  bisnis,  dan aktivitas  lainnya.  Dalam  perkembangan  transportasi  udara, peristiwa/tragedi selama beberapa dekade terakhir menunjukkan  perlunya  pemeriksaan  keamanan  dan  deteksi barang tersembunyi yang lebih efektif [4]. Berbagai teknologi telah  diterapkan  dalam  melakukan  pemeriksaan  keamanan untuk  mendeteksi  dan  mencitrakan  keberadaan  setiap  barang berbahaya,  seperti  senjata,  bahan  peledak,  obat-obatan terlarang,  dan  barang  ilegal  lainnya.  Dua  teknologi  yang umumnya  diterapkan  di  bandara  sebagai  sistem  keamanan adalah  teknologi X-ray  backscatter dan  teknologi millimeter- wave.
Teknologi X-ray  backscatter untuk  sistem  keamanan bandara  berbeda  dengan X-ray medis  yang  menghasilkan gelombang  dengan  panjang  gelombang  sekitar  100  pm  dan radiasi sebesar 0,02-0,03 µSv. Meskipun jumlah radiasi cukup kecil,  radiasi  tersebut  tergolong  radiasi  ionisasi  yang  dapat mengancam kesehatan manusia, terutama untuk frequent flyer , seperti  pilot  dan  pramugari  [11],  [12].  Hasil  pencitraan  dari teknologi ini sangat akurat karena penggunaan frekuensi yang sangat  tinggi,  hingga  dapat  mencitrakan  tubuh  manusia, sehingga muncul isu-isu privasi dalam penerapannya [4].
Teknologi millimeter-wave menghasilkan  gelombang elektromagnetik dalam kisaran panjang gelombang 0,1-1 mm. Panjang gelombang ini lebih panjang daripada teknologi X-ray backscatter dan tidak memancarkan radiasi ionisasi, sehingga lebih aman bagi manusia. Namun, teknologi ini menghasilkan gambar  yang  tidak  seakurat  teknologi  sebelumnya.  Panjang gelombang  yang  besar  mengurangi  resolusi  spasial  dan memerlukan jarak yang dekat [1].
1,2 Departemen  Teknik  Elektro,  Fakultas  Teknik  Universitas Indonesia,  Kampus  UI  Depok  16424  INDONESIA  (tlp:  021- 7270078; fax: 021-7270077; e-mail: 1 catur@eng.ui.ac.id, 2 hendrymarboen@gmail.com)
(a)
(b)
Gbr. 1 Ilustrasi pencitraan THz, (a) mode transmisi, (b) mode refleksi.
Teknologi  THz  menawarkan  opsi  alternatif  dari  masalah yang timbul dengan radiasi elektromagnetik yang lebih panjang dari  teknologi X-ray  backscatter ,  cukup  panjang  untuk menembus  pakaian,  tetapi  cukup  pendek  untuk  memberikan resolusi tinggi dengan daya yang sangat rendah [4]. Selain itu, teknologi  ini  tidak  terpengaruh  oleh  debu,  kabut,  dan  hujan [13].  Radiasi  yang  diproduksi  bukanlah  radiasi  ionisasi, sehingga aman untuk jaringan manusia [14].
Gbr. 1 menunjukkan dua metode pencitraan THz, yaitu mode transmisi  dan  mode  refleksi  [1].  Perbedaan  utama  kedua metode adalah posisi objek dalam sistem. Pada mode transmisi, objek berada di antara sumber dan sensor. Sumber gelombang THz menghasilkan radiasi yang diarahkan ke objek, lalu sensor mendeteksi  gelombang  yang  mengenai  objek.  Sementara  itu, pada metode mode refleksi, sumber dan sensor berada di bidang yang  sama  dengan  perbedaan  posisi  dan  tinggi.  Metode  ini bekerja dengan menghasilkan gelombang THz di sumber yang akan  mengenai  objek.  Dengan  efek  reflektif  dari  objek, gelombang dipantulkan dan diterima oleh sensor.
Pada  makalah  ini  diusulkan  rancangan  simulasi  pencitraan objek logam dengan penerapan mode transmisi menggunakan sumber  radiasi  gelombang  permukaan  ( plane  wave )  di spektrum  frekuensi  THz  dengan  antena  jenis bowtie terkopel bolometer sebagai komponen sensor untuk mendeteksi radiasi di  tiap  piksel.  Selain  lebih  sederhana  dalam  desain  dan observasi,  metode  ini  juga  menawarkan  keefektifan  dalam pencitraan  dengan  kuantitas  yang  rendah,  seperti  dimensi logam  [15]-[17].  Penggunaan  antena bowtie memberikan alternatif pada penerimaan radiasi gelombang elektromagnetik yang  lebih  luas  dikarenakan  karakteristik  jenis  antena  yang bersifat omnidirectional ,  sedangkan  bolometer  merupakan komponen  sensor  yang  berbasis  pada  perubahan  suhu  dan merupakan  kandidat  untuk  sensor  gelombang  THz  di lingkungan suhu ruang. Dalam simulasi dilakukan variasi jarak sensor terhadap objek, variasi jenis antena sebagai sensor, dan variasi  arah  polarisasi  radiasi plane  wave .  Simulasi  skenario pertama  dilakukan  tanpa  menggunakan  sensor  untuk
mengetahui efek difraksi yang terjadi pada pencitraan dengan radiasi  gelombang  THz  dan  mengetahui  karakteristik  jarak yang dapat terhindar dari pengaruh difraksi. Skenario simulasi kedua  dilakukan  dengan  menempatkan  sensor  berupa  antena bowtie terkopel  bolometer  pada  jarak  yang  didapat  melalui simulasi  sebelumnya.  Data-data  yang  diperoleh  dari  simulasi diolah dan direpresentasikan melalui gambar dua dimensi hasil pencitraan.

## II. D IFRAKSI U JUNG T AJAM ( K NIFE E DGE D IFFRACTION ) DAN A NTENA B OWTIE T ERKOPEL B OLOMETER SEBAGAI S ENSOR

## A. Difraksi Ujung Tajam (Knife Edge Diffraction)
Salah  satu  isu  yang  dapat  ditemukan  dalam  melakukan pencitraan  THz  adalah  adanya  efek  difraksi  [18].  Difraksi merupakan  suatu  fenomena  yang  dijelaskan  berdasarkan prinsip  Huygens,  yang  dapat  diartikan  sebagai  fenomena pembelokan  suatu  gelombang  di  sekitar  tepi  penghalang  atau lubang (bukaan) [19].
Difraksi  ujung  tajam  ( knife-edge  diffraction )  merupakan masalah  yang  umum  terjadi  ketika  terdapat  suatu  objek  pada jalur  propagasi  suatu  gelombang  yang  terdapat  di  antara transmitter dan receiver ,  ketika  ujung objek  tersebut menjadi sumber kedua dari propagasi gelombang  [18].  Difraksi  ujung tajam dapat dimodelkan seperti pada Gbr. 2 [18]. Faktor-faktor yang  terdapat  pada  model  difraksi  ujung  tajam  mencakup x (panjang dari Line of Sight (LOS) path antara transmitter dan receiver ), α (sudut  antara transmitter dan receiver ,  dalam radian), h (ketinggian yang diukur dari perpotongan x dengan objek  sampai  ujung  atas  objek), d 1 (jarak  antara transmitter dengan objek), d 2 (jarak antara objek dengan receiver ), dan θ (sudut difraksi dalam radian).
Nilai  daya  yang  diterima  ( received  power )  pada receiver ketika terjadi difraksi ujung tajam dapat dihitung menggunakan (1) sampai (4). Jika nilai v lebih besar dari 0,78, digunakan (5) untuk  mendapatkan  nilai J(v) .  Persamaan  (6)  merupakan persamaan  untuk  menghitung  nilai  daya  yang  diterima  yang terdapat di daerah observasi [20].

## B. Antena Bowtie Terkopel Bolometer sebagai Sensor
Makalah  ini  memperhitungkan  penggunaan  antena bowtie terkopel  bolometer  sebagai  sensor  dalam  pencitraan  dengan radiasi  gelombang  THz.  Antena  menggunakan  dua patch segitiga. Patch segitiga disusun dalam kondisi geometri yang berhadapan  dengan  bentuk  seperti  dasi  kupu-kupu  ( bowtie ). Kelebihan  antena  ini  adalah  desain  yang  sederhana  dan bandwith yang lebar [21], [22].
Gbr. 2 Ilustrasi difraksi ujung tajam ( knife edge diffraction ).
Gbr. 3 Antena bowtie terkopel bolometer satu elemen dengan material emas.
Gbr.  3  menunjukkan  ilustrasi  antena bowtie terkopel bolometer satu elemen dengan memperhitungkan bahan emas karena  memiliki  nilai  konduktivitas  yang  tinggi.  Sebuah bolometer diletakkan di antara kedua bagian antena yang saling berhadapan. Bolometer ini memiliki fungsi sebagai komponen observasi energi yang ditangkap oleh antena. Bolometer yang digunakan merupakan jenis lossy metal dengan nilai resistivitas 8,75 × 10 -6 Ωm. Penggunaan antena bowtie terkopel bolometer sebagai  sensor  dalam  simulasi  pencitraan  dilakukan  karena antena  tersebut  memiliki  cakupan  penerimaan  gelombang radiasi  yang  cukup  besar.  Selain  itu,  antena bowtie terkopel bolometer dinilai memiliki sensitivitas yang tinggi dan cocok digunakan  sebagai  sensor  pada  pencitraan  radiasi  gelombang THz [21], [22].

## III. P ERANCANGAN S IMULASI P ENCITRAAN TH Z

## A. Perancangan Simulasi Pencitraan THz Tanpa Sensor
Simulasi tanpa sensor dilakukan untuk observasi daya pada daerah  bayangan  ( shadow  region )  dan  mempelajari  efek difraksi  yang  muncul.  Komponen  yang  digunakan  adalah sumber radiasi gelombang berupa plane wave sebagai sumber radiasi dan  logam  berbentuk kotak  sebagai objek  citra. Plane wave pada  simulasi  memiliki  amplitudo  sebesar  1  V/m  dan diletakkan  sejauh  1.000  µm  dari  logam.  Logam  memiliki bentuk  kotak.  Panjang,  lebar,  dan  ketebalan  logam  kotak tersebut adalah 300 µm, 300 µm, dan 10 µm. Material logam yang diperhitungkan adalah nikel.
Gbr.  4  menunjukkan  ilustrasi  tampak  samping  dan  tampak depan dari simulasi pencitraan THz tanpa menggunakan sensor. Plane  wave pada  simulasi  ditandai  dengan  bidang  persegi berwarna merah. Logam kotak yang digunakan sebagai objek citra ditandai dengan bidang persegi berwarna hijau.
𝑥  = √𝑑 1 2 + 𝑑 2 2 −  2𝑑 1 𝑑 2 cos (𝜋 − 𝜃) (1)
𝛼 = 𝑐𝑜𝑠 −1 ( 𝑑 1 2 +𝑥 2 −𝑑 2 2 2𝑥𝑑 1 ) (2)
ℎ = 𝑑 1 𝑡𝑎𝑛 𝛼 (3)
𝑣 = ℎ √ 2 λ ( 1 𝑑 1 + 1 𝑑 2 ) (4)
𝐽(𝑣) = 6,9 + 20 log(√(𝑣 − 0,1) 2 + 1 + 𝑣 − 0,1) dB (5)
𝑅𝑃 (dB) = −25,9176  − 𝐽(𝑣)    (dB ) (6)
Tabel  I  menunjukkan  kondisi  yang  diperhitungkan  dalam perancangan  simulasi  tanpa  sensor.  Nikel  digunakan  karena merupakan  salah  satu  komponen  yang  umum  dicampurkan pada baja sebagai material utama senjata  api. Dimensi logam
yang  didesain  adalah  dalam  satuan  µm  mengingat  frekuensi radiasi yang digunakan berada dalam spektrum THz. Boundary box merupakan  batasan  daerah  dalam  simulasi,  diukur  dari ujung  terluar  logam  kotak  yang  digunakan. Boundary  box memiliki  nilai  pada  setiap  sumbu-x,  sumbu-y,  dan  sumbu-z, mengingat  logam  yang  didesain  dalam  bentuk  tiga  dimensi. Nilai boundary  box maksimum  memiliki  arah  pada  sumbu positif  dan  nilai boundary  box minimum  memiliki  arah  pada sumbu negatif.
B. Perancangan Simulasi Pencitraan THz dengan

## Menggunakan Sensor
Pada  bagian  ini  dilakukan  diskusi  perancangan  simulasi pencitraan  THz  menggunakan  sensor  dengan  melakukan variasi  jenis  sensor  yang  digunakan.  Jenis  sensor  yang digunakan  adalah  antena bowtie terkopel  bolometer  dengan frekuensi kerja 1 THz, 3 THz, dan 5 THz.
(a) (b)
Gbr.  4  Ilustrasi  simulasi  pencitraan  THz  tanpa  menggunakan  sensor,  (a) tampak samping, (b) tampak depan.
T ABEL I
K ONDISI PADA S IMULASI P ENCITRAAN TH Z TANPA S ENSOR
Logam Material Nikel Ukuran 300 × 300 × 10 µm Plane wave Amplitudo 1 V/m Boundary Box Sumbu-x 50 µm Sumbu-y 50 µm Sumbu-z 650 µm–1.000 µm
Gbr. 5 Antena bowtie terkopel bolometer dengan frekuensi kerja 1 THz.
Gbr 6. Return loss ( S 11 ) antena bowtie dengan frekuensi kerja 1 THz.
Gbr. 7 Antena bowtie terkopel bolometer dengan frekuensi kerja 3 THz.
Gbr. 8 Return loss ( S 11 ) antena bowtie dengan frekuensi kerja 3 THz.
Gbr.  5  menunjukkan  ilustrasi  antena bowtie terkopel bolometer  dengan  frekuensi  kerja  1  THz.  Antena  tersebut memiliki  dimensi  panjang,  lebar,  dan  tebal  masing-masing sebesar 99 µm, 26,5 µm, dan 1 µm. Gbr. 6 menunjukkan hasil simulasi parameter return loss ( S 11 ) dari antena bowtie dengan desain  seperti  pada  Gbr.  5.  Hasil  simulasi S 11 menunjukkan antena  tersebut  memiliki bandwidth 0,99–1,07  THz  dengan frekuensi resonansi terbaik pada 1,0329 THz.
Gbr.  7  menunjukkan  ilustrasi  antena bowtie terkopel bolometer  dengan  frekuensi  kerja  3  THz.  Antena  tersebut memiliki  dimensi  panjang,  lebar,  dan  tebal  masing-masing sebesar 35 µm, 9,38 µm, dan 1 µm. Gbr. 8 menunjukkan hasil simulasi S 11 dari  antena bowtie dengan  desain  pada  Gbr.  7. Hasil  simulasi S 11 menunjukkan  antena  tersebut  memiliki bandwidth 2,76–3,28 THz dengan frekuensi resonansi terbaik pada 3,008 THz.
Gbr. 9 Antena bowtie terkopel bolometer dengan frekuensi kerja 5 THz.
Gbr. 10 Return loss ( S 11 ) antena bowtie dengan frekuensi kerja 5 THz.
Gbr. 11 Konfigurasi 9 × 5 antena bowtie terkopel bolometer sebagai sensor.
Gbr.  9  menunjukkan  ilustrasi  antena bowtie terkopel bolometer  dengan  frekuensi  kerja  5  THz.  Antena  tersebut memiliki dimensi panjang, lebar, dan tebal sebesar 35 µm, 9,38 µm,  dan  1  µm.  Gbr.  10  menunjukkan  hasil  simulasi S 11 dari antena bowtie dengan  desain  pada  Gbr.  9.  Hasil  simulasi S 11 menunjukkan  antena  tersebut  memiliki bandwidth 4,60–5,44 THz dengan frekuensi resonansi terbaik pada 5 THz.
Masing-masing antena terkopel dengan bolometer dari jenis lossy  metal yang  memiliki  nilai  resistivitas  8,75  ×  10 -6 Ωm. Antena  tersebut  kemudian  dimultiplikasi  menjadi  45  elemen dan  disusun  dengan  konfigurasi  9  ×  5.  Multiplikasi  dan penempatan  dengan  konfigurasi  9  ×  5  dilakukan  untuk menyesuaikan antena dengan posisi dan ukuran  logam kotak. Masing-masing elemen berperan sebagai piksel pada hasil citra. Gbr. 11 menunjukkan ilustrasi konfigurasi 9 × 5 antena bowtie terkopel  bolometer  sebagai  sensor  pada  sistem  simulasi. Masing-masing jenis antena bowtie terkopel bolometer dengan frekuensi kerja 1 THz, 3 THz, dan 5 THz disusun sedemikian rupa sebagai sensor pada sistem simulasi.
Ilustrasi dari  perancangan  simulasi pencitraan  THz dengan menggunakan  sensor  ditunjukkan  pada  Gbr.  12(a),  yang menunjukkan  tampak  samping,  dan  Gbr.  12(b),  yang menunjukkan tampak depan simulasi pencitraan. Pada masing-
masing  jenis  sensor  yang  digunakan,  dilakukan  variasi  jenis polarisasi plane  wave menjadi  polarisasi  horizontal  ( Ex )  dan polarisasi  vertikal  ( Ey ).  Penamaan  jenis  polarisasi  tersebut mengacu  kepada  arah  pergerakan  osilasi  medan  listrik plane wave .

## IV. P ENCITRAAN TH Z T ANPA M ENGGUNAKAN S ENSOR
Pada bagian ini dilakukan simulasi dan kalkulasi secara teori tanpa menggunakan sensor. Simulasi dan kalkulasi secara teori dilakukan dengan variasi jarak terhadap logam ( z ), yaitu 10 µm, 25 µm, 50 µm, 75 µm, 150 µm, 300 µm, 450 µm, dan 600 µm. Hasil  simulasi  dan  kalkulasi  kemudian  dibandingkan  dan direpresentasikan  dalam  bentuk  grafik  nilai  daya  pada frekuensi 0,1 THz, 1 THz, dan 10 THz.
Gbr.  13  menunjukkan  perbandingan received  power dari hasil simulasi dan teori pada jarak z sebesar 10 µ m, 75 µ m, 300 µ m,  dan  600 µ m.  Hasil  simulasi  dan  kalkulasi  secara  teori semakin berbeda seiring dengan peningkatan jarak z. Perbedaan yang signifikan terjadi pada tinggi 0 µm (titik tengah logam). Hasil  simulasi  menunjukkan  adanya  peningkatan  nilai  daya pada titik tengah, sedangkan hasil kalkulasi tidak menunjukkan peningkatan intensitas daya. Perbedaan tersebut terjadi karena kalkulasi menggunakan (1) sampai (6) tidak memperhitungkan Poisson spot yang terjadi pada gambar dua dimensi (2D). Fresnel number merupakan sebuah parameter yang memiliki kaitan dengan Poisson spot dan digunakan dalam menentukan jarak z dalam  pencitraan  [16]. Fresnel  number dapat dikalkulasikan  dengan  membandingkan  nilai  dimensi  logam sebagai  objek  citra  ( b )  dengan  nilai  jarak  ( z )  dan  panjang gelombang  ( λ ),  seperti  pada  (7).  Nilai Fresnel  number dalam pencitraan  dapat  menentukan  kualitas  citra  yang  dihasilkan
[16].  Tabel  II  menunjukkan  hubungan  antara  nilai Fresnel number dengan  citra  yang  dihasilkan  [16].  Dengan menggunakan  (7),  didapatkan  batasan-batasan  berupa  jarak z pada  masing-masing  kondisi  radiasi  0,1  THz,  1  THz,  dan  10 THz, seperti yang ditunjukkan pada Tabel III. Batasan-batasan jarak z tersebut  digunakan  untuk  melakukan  observasi  nilai daya menggunakan gambar dua dimensi pada jarak z yang telah ditentukan untuk masing-masing kondisi.
(a) (b) (c) (d) Gbr. 13 Perbandingan received power simulasi dan teori dengan variasi jarak z , (a) z = 10 µm, (b) z = 75 µm, (c) z =300 µm, (d) z = 600 µm. (a) (b)
Gbr.  12  Ilustrasi  simulasi  pencitraan  THz,  (a)  tampak  samping,  (b)  tampak depan.
T ABEL II
H UBUNGAN ANTARA N ILAI F RESNEL N UMBER DENGAN H ASIL C ITRA
Nf > 10

## Hasil citra sama dengan objek
2 < Nf < 10 Hasil citra hampir sama dengan objek dan
Poisson spot mulai muncul
Nf < 2 Hasil citra terdapat Poisson spot dan sudah terpengaruh oleh efek difraksi
T ABEL III
B ATASAN J ARAK Z PADA F REKUENSI 0,1 TH Z , 1 TH Z , DAN 10 TH Z Nf > 10 2 < Nf < 10 Nf < 2 0,1 THz z < 3 μm 3 μm < z < 15 μm z > 15 μm 1 THz z < 30 μm 30 μm < z < 150 μm z > 150 μm
10 THz z < 300 μm  300 μm< z < 1.500 μm z > 1.500 μm
(a) (b) (c) Gbr. 14 Gambar 2D ketika Nf > 10 pada berbagai frekuensi, (a) frekuensi 0,1 THz, (b) frekuensi 1 THz, (c) frekuensi 10 THz.
𝑁𝑓 = 𝑏 2 𝑧  𝜆 (7)
Gbr.  14  menunjukkan  hasil  dalam  gambar  dua  dimensi ketika Nf >10.  Gbr.  14(a)  menunjukkan  gambar  dua  dimensi hasil  simulasi  pada  frekuensi  radiasi  0,1  THz  dengan memperhitungkan  jarak z =  2  μm.    Gbr.  14(b)  menunjukkan gambar dua dimensi hasil simulasi pada frekuensi radiasi 1 THz pada  jarak z =  25  μm.  Gbr.  14(c)  menunjukkan  gambar  dua dimensi  hasil  simulasi  pada  frekuensi  10  THz  dengan memperhitungkan  jarak z =  150  μm.  Ketiga  gambar  tersebut menunjukkan bahwa hasil citra menyerupai logam kotak yang digunakan sebagai objek.
Gbr. 15(a) menunjukkan gambar dua dimensi hasil simulasi pada frekuensi radiasi 0,1 THz dengan memperhitungkan jarak z = 10 μm. Gbr. 15(b) menunjukkan gambar dua dimensi hasil simulasi  pada  frekuensi  radiasi  1  THz  pada  jarak z =  75  μm. Gbr.  15(c)  menunjukkan  gambar  dua  dimensi  hasil  simulasi pada frekuensi 10 THz dengan memperhitungkan jarak z = 600 μm.  Berdasarkan  variasi  nilai  daya  pada  ketiga  gambar
tersebut, didapatkan hasil citra dengan Poisson spot . Walaupun Poisson spot hadir pada gambar, hasil citra masih menyerupai bentuk logam kotak yang digunakan sebagai objek citra.
Gbr.  16  menunjukkan  hasil  dalam  gambar  dua  dimensi ketika Nf <  2.  Gbr.  16(a)  menunjukkan  gambar  dua  dimensi hasil  simulasi  pada  frekuensi  radiasi  0,1  THz dengan menggunakan  jarak z =  50  μm.    Gbr.  16(b)  menunjukkan gambar dua dimensi hasil simulasi pada frekuensi radiasi 1 THz pada jarak z = 450 μm. Pengamatan dengan frekuensi 10 THz tidak dapat dilakukan karena harus menggunakan jarak z > 300 μm. Sistem simulasi yang digunakan memiliki batasan hanya dapat melakukan pengamatan sampai dengan jarak z = 650 μm. Berdasarkan  variasi  nilai  daya  pada  kedua  gambar  tersebut, didapatkan  hasil  citra  dengan Poisson  spot dengan  intensitas yang sangat besar. Intensitas Poisson spot pada jarak tersebut menyebabkan  hasil  citra  sangat  berbeda  dengan  logam  kotak yang digunakan sebagai objek citra.
Hasil observasi dengan ketiga kondisi tersebut menunjukkan bahwa dengan menggunakan jarak z ketika Nf > 10, hasil citra yang  didapatkan  menyerupai  logam  kotak  yang  digunakan sebagai objek citra. Ketika 2 < Nf < 10, didapatkan hasil citra
(a) (b) (c)
Gbr. 15 Gambar 2D ketika 2 < Nf <10 pada beberapa frekuensi, (a) frekuensi 0,1THz, (b) frekuensi 1 THz, (c) frekuensi 10 THz.
(a) (b)
Gbr. 16 Gambar 2D ketika Nf < 2 pada beberapa frekuensi, (a) frekuensi 0,1 THz, (b) frekuensi 1 THz.
dengan Poisson  spot , tetapi  masih  menyerupai  logam  kotak yang digunakan sebagai objek citra. Ketika Nf < 2, didapatkan hasil citra tidak merepresentasikan logam kotak sebagai objek citra yang digunakan.
Tahap  selanjutnya  adalah  penentuan  jarak z yang  dapat digunakan  pada  semua  frekuensi  untuk  dapat  mencitrakan logam  kotak  sebagai  objek  citra.  Berdasarkan  kalkulasi  dan observasi gambar dua dimensi, ditentukan jarak z = 10 μm pada frekuensi  0,1  THz–10  THz.  Jarak z tersebut  kemudian digunakan  sebagai  jarak  terluar  logam  dengan  sensor  yang ditempatkan  pada  simulasi  berikutnya.  Pada  simulasi berikutnya  ditempatkan  sensor  berupa  antena bowtie terkopel bolometer pada jarak z = 10 μm.

## V. S IMULASI P ENCITRAAN TH Z DENGAN A NTENA B OWTIE

## T ERKOPEL B OLOMETER SEBAGAI S ENSOR
Pada  simulasi  ini,  sensor  yang  digunakan  divariasikan menjadi tiga jenis, yaitu sensor antena dengan frekuensi kerja 1 THz,  3  THz,  dan  5  THz.  Pada  masing-masing  jenis  antena
tersebut, dipropagasikan frekuensi radiasi yang resonan dengan sensor  antena.  Pada  setiap  jenis  antena,  divariasikan  jenis polarisasi plane wave ( Ex dan Ey ). Penamaan  jenis  polarisasi tersebut mengacu kepada arah osilasi medan listrik plane wave yang  sejajar  dengan  sumbu-x  dan  sumbu-y.  Ilustrasi  variasi polarisasi plane wave diperlihatkan pada Gbr. 12. Antena bowtie terkopel bolometer  yang digunakan sebagai sensor  memiliki  arah  pergerakan  medan  E  yang  linier  dan sejajar  dengan  sumbu-x.  Hal  ini  membuat  penggunaan  jenis polarisasi Ex pada  sistem  disebut co-polarization ,  karena memiliki  arah  pergerakan  medan  E  yang  sejajar  antara plane wave dengan  sensor.  Penggunaan  jenis  polarisasi Ey disebut cross-polarization , karena memiliki arah pergerakan medan E yang ortogonal antara plane wave dengan sensor.
Sistem pencitraan bekerja dengan membaca nilai daya yang terserap  ( absorbed  power ) pada  sensor  bolometer.  Nilai absorbed  power pada  setiap  bolometer  diolah  dan direpresentasikan  pada  gambar  dua  dimensi.  Perbedaan  nilai daya  pada  masing-masing  elemen  tersebut  akan  membuat
T ABEL IV
H ASIL S IMULASI V ARIASI J ENIS A NTENA PADA P ENCITRAAN TH Z DENGAN A NTENA B OWTIE T ERKOPEL B OLOMETER Jenis Antena Hasil Pencitraan THz Ternormalisasi Hasil Pencitraan THz (Skala Sama) Rata-rata Daya di Area Logam Standar Deviasi Daya di Area Logam Frekuensi 1 THz 6,66 × 10 -13 3,62 × 10 -13 Frekuensi 3 THz
1,34 × 10 -13 1,98 × 10 -13 Frekuensi 5 THz 4,09 × 10 -14 5,81 × 10 -14
kontras  yang  menunjukkan  indikasi  keberadaan  dan  bentuk logam kotak yang dicitrakan.
Tabel  IV  menunjukkan  hasil  simulasi  pencitraan  THz dengan  antena bowtie terkopel  bolometer  yang  memiliki frekuensi  kerja  1  THz,  3  THz,  dan  5  THz.  Hasil  pencitraan ternormalisasi memiliki  skala  maksimum  dan  minimum yang berbeda  antara  satu  frekuensi  dengan  yang  lainnya.  Skala maksimum  dan  minimum  pada  gambar-gambar  tersebut merupakan  nilai-nilai  maksimum  dan  minimum absorbed power bolometer pada masing-masing simulasi tersebut.
Untuk mengetahui hubungan frekuensi terhadap pencitraan THz,  hasil  pencitraan  THz  kembali  direpresentasikan  dalam gambar  dua  dimensi  berwarna.  Namun,  kali  ini  hasil  citra menggunakan  skala  yang  sama  untuk  semua  simulasi  pada bagian  ini.  Skala  maksimum  dan  minimum  merupakan  nilai absorbed  power maksimum  dan  minimum  dari  semua  hasil simulasi.
Warna  pada  citra  merepresentasikan  nilai  tingkatan absorbed  power .  Warna  coklat  merepresentasikan  nilai maksimum,  sedangkan  warna  biru  merepresentasikan  nilai minimum.  Logam  kotak  sebagai  objek  citra  pada  sistem
simulasi ditandai dengan warna biru yang terletak pada bagian tengah hasil citra simulasi.
Dengan meninjau hasil pencitraan THz dengan skala sama, terlihat  bahwa  pada  frekuensi  kerja  1  THz,  hasil  citra menunjukkan  beberapa  titik  di  daerah  belakang  logam menunjukkan  nilai  daya  maskimum.  Hal  ini  menunjukkan bahwa efek difraksi masih memengaruhi hasil pencitraan.
Pada jenis antena dengan frekuensi kerja 3 THz, hasil citra mulai  menunjukkan  keberadaan  logam  kotak  sebagai  objek citra.  Hal  ini  ditunjukkan  dengan  daerah  di  belakang  logam kotak yang mulai kontras dengan daerah di sekitarnya. Seiring dengan peningkatan frekuensi radiasi, kontras hasil citra mulai membaik.
Hasil pencitraan pada antena dengan frekuensi kerja 5 THz mulai  menunjukkan  keberadaan  logam  kotak  yang  semakin baik  yang  ditandai  dengan  semakin  seragamnya  warna  pada daerah  di  belakang  logam  kotak  dan  daerah  di  sekitarnya. Kalkulasi  nilai  standar  deviasi  dilakukan  sebagai  analisis tambahan  untuk  membuktikan  hubungan  tersebut.  Standar deviasi  menunjukkan  keseragaman  data  nilai  daya  yang terdapat pada daerah di belakang logam ( shadow region ).
T ABEL V H ASIL S IMULASI V ARIASI P OLARISASI P LANE W AVE PADA P ENCITRAAN TH Z DENGAN A NTENA B OWTIE T ERKOPEL B OLOMETER
Jenis Antena Hasil Pencitraan THz Ternormalisasi Polarisasi Ex Hasil Pencitraan THz Ternormalisasi Polarisasi Ey Frekuensi 1 THz Frekuensi 3 THz Frekuensi 5 THz
Hasil pencitraan pada antena dengan frekuensi kerja 5 THz mulai  menunjukkan  keberadaan  logam  kotak  yang  semakin baik  yang  ditandai  dengan  semakin  seragamnya  warna  pada daerah di belakang logam kotak dan daerah di sekitarnya.
Hasil  simulasi  diharapkan  memiliki  nilai  standar  deviasi nilai  daya  di  daerah  belakang  logam  yang  kecil  karena  hal tersebut menandakan minimnya efek difraksi pada sistem yang memengaruhi citra logam kotak. Hasil kalkulasi menunjukkan standar  deviasi  terkecil  berada  pada  antena  dengan  frekuensi kerja 5 THz. Hal ini menunjukkan bahwa nilai absorbed power pada daerah di belakang logam memiliki tingkat keseragaman data  paling  tinggi.  Keseragaman  data  tersebut  menunjukkan efek  difraksi  minimum  pada  antena  dengan  frekuensi  kerja  5 THz,  sehingga  membuat  hasil  citra  yang  diproduksi  lebih representatif.  Fenomena  ini  bersesuaian  dengan  teori,  yaitu peningkatan frekuensi radiasi dari suatu sistem pencitraan akan memengaruhi  resolusi  spasial  pada  pencitraan  [1].  Resolusi spasial  merupakan  ukuran  terkecil  objek  yang  dapat  direkam atau dicitrakan [23]. Semakin tinggi nilai resolusi spasial suatu sistem pencitraan, semakin tinggi keakuratan dan kualitas citra yang akan dihasilkan oleh sistem.
Tabel  V  menunjukkan  perbandingan  hasil  simulasi polarisasi  Ex  dan  Ey.  Hasil  simulasi  dengan  polarisasi  Ex memiliki  nilai absorbed  power yang  lebih  besar  dan  kontras yang lebih tinggi. Hal ini ditunjukkan melalui hasil pencitraan polarisasi  Ex  yang  lebih  merepresentasikan  logam  kotak sebagai objek citra. Hasil simulasi dengan polarisasi Ex lebih baik  karena  antena bowtie terkopel  bolometer  sebagai  sensor memiliki polarisasi yang sejajar dengan polarisasi Ex, sehingga daya yang terserap pada sensor lebih maksimal.

## VI. K ESIMPULAN
Berdasarkan  pembahasan  yang  telah  dilakukan,  dapat disimpulkan  bahwa  fenomena  difraksi  pada  pencitraan  THz dapat  diperhitungkan,  dimodelkan,  dan  dianalisis  dengan menggunakan  konsep  difraksi  ujung  tajam  ( knife  edge diffraction ) . Peningkatan  jarak, z ,  yang  digunakan  dalam simulasi  menyebabkan  meningkatnya  fenomena  difraksi  dan intensitas Poisson  spo t  yang  dapat  merusak  hasil  citra. Parameter Fresnel  number digunakan  untuk  menentukan batasan  jarak  aman z dari  difraksi  yang  merusak  hasil  citra. Simulasi pencitraan logam kotak dengan menggunakan sensor menunjukkan  bahwa  peningkatan  frekuensi  radiasi  yang resonan  dengan  sensor  akan  membuat  efek  difraksi  semakin menurun. Hal ini ditunjukkan dengan nilai standar deviasi yang menurun seiring dengan peningkatan frekuensi. Antena bowtie terkopel  bolometer  dapat  berkontribusi  dalam  pengembangan sistem pencitraan THz di masa depan.

## R EFERENSI
[1] R.  Knipper,    A.  Brahm,  E.  Heinz,  T.  May,  G.  Notni,  H.-G.  Meyer,  A. Tünnermann, dan J. Popp, “THz Absorption in Fabric and Its Impact on Body  Scanning  for  Security  Application,” IEEE  Trans.  Terahertz  Sci. Technol. , Vol. 5, No. 6, hal. 999–1004, 2015.
[2] D.H.  Auston,  “Picosecond  Optoelectronic  Switching  and  Gating  in Silicon,” Appl. Phys. Lett. , Vol. 26, No. 3, hal. 101-103, Feb. 1975.
[3] P.U. Jepsen, R.H. Jacobsen, dan S.R. Keiding, “Generation and Detection of Terahertz Pulses from Biased Semiconductor Antennas,” J. Opt. Soc. Am. B , Vol. 13, No. 11, hal. 2424–2436, Nov. 1996.
[4] M.C. Kemp, P.F. Taday, B.E. Cole, J.A. Cluff, A.J. Fitzgerald, dan W.R. Tribe, “Security Applications of Terahertz Technology,” Terahertz Mil. Secur. Appl. , Vol. 5070, hal. 44-52, 2003.
[5] W.R.  Tribe,  D.A.  Newnham,  P.F.  Taday,  dan  M.C.  Kemp,  “Hidden Object Detection: Security Applications of Terahertz Technology,” Proc.
SPIE - Int. Soc. Opt. Eng. , Vol. 5354, 2004, hal. 168-176.
[6] J.F. Federici, B. Schulkin, F. Huang, D. Gary, R. Barat, F. Oliveira, dan D.  Zimdars,  “THz  Imaging  and  Sensing  for  Security  Applications  - Explosives, Weapons and Drugs,” Semicond. Sci. Technol. , Vol. 20, No. 7, hal. S266-S280, 2005.
[7] C.J. Strachan, P.F. Taday, D.A. Newnham, K.C. Gordon, J.A. Zeitler, M. Pepper, dan T. Rades, “U sing Terahertz Pulsed Spectroscopy to Quantify Pharmaceutical Polymorphism and Crystallinity,” J. Pharm. Sci. , Vol. 94,
No. 4, hal. 837–846, Apr. 2005.
[8] D.M. Mittleman, R.H. Jacobsen, dan M.C. Nuss, “T-Ray Imaging,” IEEE Journal of  Selected Topics in Quantum Electronics , Vol. 2, No. 3, hal. 679–692, 1996.
[9] A.S.  Skryl,  J.B.  Jackson,  M.I.  Bakunov,  M.  Menu,  dan  G.A.  Mourou, “Terahertz  Time-domain  Imaging  of  Hidden  Defects  in  Wooden Artworks: Application to a Russian Icon Painting,” Appl. Opt. , Vol. 53, No. 6, hal. 1033–1038, Feb. 2014.
[10] E. Pickwell, B.E. Cole, A.J. Fitzgerald, M. Pepper, dan V.P. Wallace, “In Vivo  Study  of  Human  Skin  Using  Pulsed  Terahertz  Radiation,” Phys. Med. Biol. , Vol. 49, No. 9, hal. 1595–1607.
[11] B. Friederich, D. Damyanov, J. Kohl, K. Kolpatzeck, X. Liu, T. Schultze, A.  Czylwik,  J.C.  Balzer,  dan  I.  Willms,  “High  Resolution  Image Processing Technique for the Detection of Metal Entrapments Based on a Terahertz Camera,” Proc. IRMMW-THz , 2019, hal. 1-2.
[12] J.S.  Kwon,  J.M.  Lee,  dan  W.Y.  Kim,  “Real-time  Detection  of  Foreign Objects Using X-ray Imaging for Dry Food Manufacturing Line,” Proc. Int. Symhal. Consum. Electron. ISCE , 2008, hal. 17–20.
[13] G.  Chattopadhyay,  K.B.  Cooper,  R.  Dengler,  N.  Llombart,  dan  P.H. Siegel, “Imaging at a Stand-off Distance with Terahertz FMCW Radar , ” 2011 30th URSI Gen. Assem. Sci. Symhal , 2011, hal. 1.
[14] C. Baker, T. Lo, W.R. Tribe, B.E. Cole, M.R. Hogbin, dan M.C. Kemp, “Detection  of  Concealed  Explosives  at  a  Distance  Using  Terahertz Technology,” Proc. IEEE , Vol. 95, No. 8, hal. 1559–1565, 2007.
[15] H.S. Marbun dan C. Apriono, “Antenna Coupled Bolometer Simulation for Terahertz Radiation Detection Diffracted by A Small Metal Object , ” dipresentasikan  pada 3rd  Int.  Conf.  on  Smart  City  Innovation  (ICSCI) ,
Bali, Indonesia, 2020.
[16] T.V.  de  Guélis,  V.  Shcherbakov,  dan  A.  Schwarzenböck,  “Diffraction Patterns from Opaque Planar Objects Simulated with Maggi-Rubinowicz Method  and  Angular  Spectrum  Theory , ” Opt.  Express ,  Vol.  27,  No.  7, hal. 9372, 2019.
[17] S.B. Tucker, J. Ojeda-Castañeda, dan W.T. Cathey, “Matrix Description of Near-field Diffraction and the Fractional Fourier Transform,” J. Opt. Soc. Am. A , Vol. 16, No. 2, hal. 316, 1999.
[18] J.  Kokkoniemi,  P.  Rintanen,  J.  Lehtomäki,  dan  M.  Juntti,  “Diffraction Effects  in  Terahertz  Band  -  Measurements  and  Analysis,” Proc.  2016 IEEE Glob. Commun. Conf. (GLOBECOM) , 2016, hal. 1-6.
[19] D.  Halliday,  R.  Resnick,  dan  J.  Walker, Fundamentals  of  Physics , Hoboken, USA: Wiley, 2005.
[20] A.G.  Dmitrenko  dan  V.V.  Fisanov,  “Diffraction  and  Propagation  of Electromagnetic Waves in the Presence of Chiral Media , ” Russ Phys J ,
Vol. 41, hal. 780–792, 1998
[21] C. Apriono, A.P. Aji, dan E.T. Rahardjo, “Study of Impedance Matching Effect  between  Terahertz  Bowtie  Antenna  and  Bolometer  to  Enhance Signals Detection,” Proc. 2019 7th Int. Conf. Smart Comput. Commun. (ICSCC) , 2019, hal. 1–4.
[22] A.P.  Aji, C. Apriono,  dan E.T. Rahardjo, “Surface Current Analysis of THz  Bowtie  Antenna-coupled  Microbolometer,” Proc.  2019  16th  Int. Conf. Qual. Res. QIR 2019 - Int. Sym. Electr. Comput. Eng. , 2019, hal. 6– 9.
[23] A.  Oktaviani  dan  Y.  Johan,  “Perbandingan  Resolusi  Spasial,  Temporal Dan Radiometrik Serta Kendalanya,” J. Enggano , Vol. 1, No. 2, hal. 74– 79, 2016.